共振隧穿
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• 另外材料的非均匀性使得共振能级展宽，把共
振峰“抹平”，电流峰与谷的比率减小。
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技术的进步
完美的GaAs/AlGaAs界面
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器件构想
• 在Tsu和Esaki研究工作初期就预言共振隧穿这 种量子输运特性可以作为新型量子器件的工作 原理，NDR可以作为新的信息处理和存储方 式。
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共振隧穿的预测
• Esaki和Tchu提出了共振隧 穿与共振隧穿器件的概念
• 其基础是半导体异质结构 • 1969年， Tsu和Esaki首先
从理论上预测到，在半导 体异质结构中会产生共振 隧穿（RT）现象
朱兆祥
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共振的概念
• 所谓共振隧穿是指在某一个能量值，电子的隧 穿概率出现尖锐峰值。
• 于是，光子能带、声子能带及与光声有关的其 他准粒子能带就出现在介电体超晶格中
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光学超晶格材料
• 介电体中引入的有序微结构，可以是对不同物理 参数的调制。
– 调制介电常数(或折射率)，为光子晶体，具有光 子能带
– 调制弹性常数，为声子晶体，具有声子能带 – 调制压电常数，为离子型声子晶体(Ionic-type
产生共振隧穿现象的？ 5、从半导体异质结构共振隧穿现象发现及器件
的发明能得到什么启发？
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“共振隧穿器件”目录
• 引言 • 半导体异质结构中的共振隧穿现象 • 共振隧穿器件输运理论 • RTD器件应用
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半导体异质结构中的共振隧穿现象
• 结构与现象描述
– 能带结构 – I-V特性 – 偏置条件 – 实际结构中的影响因素
• 同时，从右边接触区到左 边接触区的反向电流被抑 制，因为在右边接触区费 米能级存在较高的势垒，
• 异质结构半导体导带的量子阱 • 量子阱中的电子局域化能级
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用分子束外延技术制造量子阱
schematic
Growth direction
Al
MBE As Growth
UHV Ga
AlAs
GaAs AlAs
Δ = 0.28nm
3eV
1.5eV
Conduction band Electronic potential
半导体异质结的能带
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半导体异质结构与二维电子气
二维电子气
能带边不连续产生三角形势阱
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引言
• 半导体外延生长与异质结构
– 二维电子气
• 半导体能带剪裁工程
– 量子阱 – 多量子阱与超晶格
• 半导体中的电子共振隧穿
– 预测与概念 – 负微分电阻 – 共振隧穿
• 早期的实验观察到较为显著的NDR现象非常困 难，因此不能很好地证明理论预测的共振隧穿 现象。
共振隧穿二极 管结构示意图
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早期实验的不足
• 早期阶段的MBE技术不能充分提供晶格匹配完 整的AlGaAs/GaAs/AlGaAs双势垒异质结构和低 杂质浓度的外延层
• 在这样不完整的异质结晶格结构中，通过共振 态的隧穿电流需要超过较强通过晶体缺陷的背 景电流才能观察到。
GaAs substrate (0.5 mm, e.g.)
schematic
Growth direction
Al
MBE As Growth
UHV Ga
AlAs
GaAs AlAs
Δ = 0.28nm
3eV
1.5eV
Conduction band Valence band
Electronic potential
Ev valence band edge XIDIAN506LAB
半导体异质结构（能带工程）及其 在高速器件和光电器件应用研究
The Nobel Prize in Physics 2000
XIDIAN506LAB
Quantum well (QW)量子阱
semiconductor B
semiconductor A
• 这种现象类似于光通过两个平行界面构成像 Fabry-Perot标准具这样的光学滤波器一样，光 强作为波长的函数，形成尖锐的跃迁峰值。
Fabry-Perot干涉仪
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共振隧穿与负微分电阻
•江琦和朱预测， 给GaAs/ AlxGa1-xAs双或
I
多势垒结构加上偏置，电流-电压I- V之间
– 即一个微弱的磁场变化可以在特定系 统中产生大的电阻变化
• 巨磁阻将物质磁性与电荷输运结合 在一起
– 从而诞生了磁电子学和自旋电子学
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引言
• 半导体外延生长与异质结构
– 二维电子气
• 半导体能带剪裁工程
– 量子阱 – 多量子阱与超晶格
• 半导体中的电子共振隧穿
– 预测与概念 – 负微分电阻 – 共振隧穿
• 在Sollner等人最初的工作中，NDR的频 率可达2.5THz，这隐含电荷隧穿时间为
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诱人的应用前景 结构简单
• 在已经研制出的几种纳米器件中，RTD可能是 在数字电路中应用最有前景的候选者，因为它 具有负微分电阻（NDR）特征，很适合用于数 字信号处理。
• 同时它还具有结构简单，相对容易制造，固有 速度快，柔性设计的自由度多和电路功能多方 面通用性等优点。
• 他们的这个设想两年以后在一种分子 束外延设备上变为了现实。
江琦 X朱IDI兆AN祥506LAB
多量子阱与超晶格
XIDIAN506LAB
超晶格－量子阱结构
XIDIAN506LAB
半导体超晶格-量子阱发光器件
注入
激活区域 注入
激活区域
跃迁与 光发射
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用分子束外延生长超晶格
XIDIAN506LAB
半导体能带剪裁
• 采用半导体材料外延生长技术 Ec conduction band edge 使人们可以有目的设计和制造 各种异质结构
• 这种新型半导体异质结构的设 计与制造被称为人工能带工程
Bandgap Eg
• 而此前的半导体材料和器件制 造被称为是杂质工程
• 这种结构可以形象地称作人工 剪裁材料
• 引言 • 半导体异质结构中的共振隧穿现象 • 共振隧穿器件的输运理论 • RTD器件及应用
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引言
• 半导体外延生长与异质结构
– 二维电子气
• 半导体能带剪裁工程
– 量子阱 – 多量子阱与超晶格
• 半导体中的电子共振隧穿
– 预测与概念 – 负微分电阻 – 共振隧穿
XIDoff-set“
Bandgap EgB
Bandgap EgA
LA
ΔEv „val. band off-set“
XIDIAN506LAB
量子阱中电子能级
semiconductor B
semiconductor A
ΔEc „cond. band off-set“ z
LA
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磁超晶格结构与巨磁阻
GMR可达 100％以上
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2007年诺贝尔物理学奖
• 法国科学家费尔和德国科学家格林 贝格尔因发现巨磁阻效应而荣获 2007年诺贝尔物理学奖
– 瑞典皇家科学院发布的颁奖声明称， 他们1988年各自独立发现了一种全新 的物理效应——巨磁电阻
semiconductor A
semiconductor B
Bandgap EgA
Bandgap EgB
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异质结构（heterostructure）能带
semiconductor B
semiconductor A
Bandgap EgB
Bandgap EgA
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异质外延生长技术
•外延生长——在衬底材料上生长 晶态材料 •上世纪80年代初期，MBE技术 迅速进步，外延异质结构材料质 量显著改进，可以生长出界面良 好的Ⅲ－Ⅴ族外延层结构。
完美的GaAs/AlGaAs界面
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多层异质外延结构的显微照片
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不同带隙宽度的半导体材料
phononic crystals) – 电磁波与声子晶体中弹性波通过压电效应发生耦
合，产生极化激元能带 – 调制二阶非线性极化率张量，为准相位匹配材料
(Quasi-phase-matching materials)，又叫光学超晶 格或非线性光子晶体，这种超晶格材料在非线性 光学特别是在量子信息有重要的应用
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半导体异质结构和超晶格的启发和带动
• 这一成就给南京大学研究人员以启示，他们于 上世纪八十年代初，将微结构引入介电晶体， 研制出介电体超晶格。
• 介电体超晶格的人工调制周期可和光波、超声 波的波长比拟。
• 这样，光波、超声波在介电体超晶格中传播， 就类似于电子在晶格周期势场中运动。
• 在此基础上提出了新的共振隧穿器件的概念和 结构，即共振隧穿二极管（RTD）和共振隧穿 三极管(RTT)。
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诱人的应用前景 多态器件
• 在随后的研究中，研制出室温下 也具有大电流峰谷比率的NDR现 象和多个NDR峰和谷的器件。
• 这种器件有可能代替传统的晶体 管，并且可以作为新的多稳态器 件应用于多值逻辑电路。
• 从它具有高的工作温度和电压两 方面看，共振隧穿器件是到目前 为止最有希望应用于电路研究的 量子器件之一。
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诱人的应用前景 器件速度
• 共振隧穿器件应用于电子学最主要的优 点之一是器件的速度非常快
• 这种器件的速度可以用基本隧穿过程的 时间来度量
• 而隧穿时间常用准束缚态的寿命来衡 量，后者与共振能级宽度成反比。
• 共振隧穿的物理机理 • 负微分电阻起源
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双势垒结构
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典型双势垒结构类型
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共振隧穿器件的I-V特性
从A到B为正微分电阻
从B开始出现负微分电阻 特 点
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产生共振隧穿 的偏置条件
• 当给右边接触区相对左边 接触区加上一个正向偏置 时，使左边的费米能级与 共振能级E1一样高，电子 从左边接触区向右边接触 区透射概率增加，而形成 正向电流。
• 由于晶格周期性晶格结构，形成周期性势场， 晶体中电子能态形成能带，电子在不同能带中 运动有其特殊规律。
• 半导体异质外延生长，可以人为设计或剪裁电 子能带结构，实现了对电子的调控，奠定了当 代信息技术的基础 。
• 上世纪七十年代Esaki 和Tsu 提出了半导体超晶 格和量子阱的概念
• 开创了半导体材料的能带工程，带动了微电 子、光电子产业的兴起和发展
纳米电子学的模式和发展方向
• 经典纳米电子学 • 量子纳米电子学
– 半量子模式
• 纳米量子（介观效应）器件代替现代半导体器件 • 仍采用经典信息处理方式 • 基本上仍在现在电路理论和框架内
– 全量子模式 • 研究基于新效应和现象的新的信息处理方 式
• 量子计算、量子通信、量子密码、量子信息检测
“共振隧穿器件”目录
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Potential
半导体中的载流子隧穿
Tunneling!!!!!!!!!
Negative resistance
No tunneling
带间隧穿与Esaki晶体管
Leo Esaki
The Nobel Prize in Physics 1973
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半导体晶格和超晶格
• 所有这些因素使人们相信RTD是可以完成从研 究领域转化为实际应用的量子限定异质结构基 础上的下一代器件。
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第一节引言 作业
1、分析半导体异质结构能带特征及二维电子气 产生机理。
2、分析半导体多量子阱与超晶格的区别？ 3、说明“人工能带工程”与“杂质工程”。 4、Esaki和Tsu是如何预测半导体异质结构中会
Valence band
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Potential
半导体超晶格
• 1970年美国IBM实验室的江崎和朱兆 祥提出了超晶格的概念
• 他们设想如果用两种晶格匹配很好的 半导体材料交替地生长周期性结构， 每层材料的厚度在lOOnm以下，则电 子沿生长方向的运动将会产生振荡， 可用于制造微波器件。
的关系会类似于Esaki二极管，出现负微分
电阻特性（NDR）。
•这种情形的NDR是由于在同一个能带中 通过势垒的电子共振隧穿引起的
Negative differential resistance region
V
负微分电阻示意图
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IBM最初的实验
• IBM首次在低温下，在MBE生长的异质半导体 双势垒结构中观察到相当微弱的共振隧穿现 象——I-V特性中的负微分电阻（NDR）。
振峰“抹平”，电流峰与谷的比率减小。
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技术的进步
完美的GaAs/AlGaAs界面
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器件构想
• 在Tsu和Esaki研究工作初期就预言共振隧穿这 种量子输运特性可以作为新型量子器件的工作 原理，NDR可以作为新的信息处理和存储方 式。
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共振隧穿的预测
• Esaki和Tchu提出了共振隧 穿与共振隧穿器件的概念
• 其基础是半导体异质结构 • 1969年， Tsu和Esaki首先
从理论上预测到，在半导 体异质结构中会产生共振 隧穿（RT）现象
朱兆祥
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共振的概念
• 所谓共振隧穿是指在某一个能量值，电子的隧 穿概率出现尖锐峰值。
• 于是，光子能带、声子能带及与光声有关的其 他准粒子能带就出现在介电体超晶格中
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光学超晶格材料
• 介电体中引入的有序微结构，可以是对不同物理 参数的调制。
– 调制介电常数(或折射率)，为光子晶体，具有光 子能带
– 调制弹性常数，为声子晶体，具有声子能带 – 调制压电常数，为离子型声子晶体(Ionic-type
产生共振隧穿现象的？ 5、从半导体异质结构共振隧穿现象发现及器件
的发明能得到什么启发？
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“共振隧穿器件”目录
• 引言 • 半导体异质结构中的共振隧穿现象 • 共振隧穿器件输运理论 • RTD器件应用
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半导体异质结构中的共振隧穿现象
• 结构与现象描述
– 能带结构 – I-V特性 – 偏置条件 – 实际结构中的影响因素
• 同时，从右边接触区到左 边接触区的反向电流被抑 制，因为在右边接触区费 米能级存在较高的势垒，
• 异质结构半导体导带的量子阱 • 量子阱中的电子局域化能级
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用分子束外延技术制造量子阱
schematic
Growth direction
Al
MBE As Growth
UHV Ga
AlAs
GaAs AlAs
Δ = 0.28nm
3eV
1.5eV
Conduction band Electronic potential
半导体异质结的能带
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半导体异质结构与二维电子气
二维电子气
能带边不连续产生三角形势阱
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引言
• 半导体外延生长与异质结构
– 二维电子气
• 半导体能带剪裁工程
– 量子阱 – 多量子阱与超晶格
• 半导体中的电子共振隧穿
– 预测与概念 – 负微分电阻 – 共振隧穿
• 早期的实验观察到较为显著的NDR现象非常困 难，因此不能很好地证明理论预测的共振隧穿 现象。
共振隧穿二极 管结构示意图
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早期实验的不足
• 早期阶段的MBE技术不能充分提供晶格匹配完 整的AlGaAs/GaAs/AlGaAs双势垒异质结构和低 杂质浓度的外延层
• 在这样不完整的异质结晶格结构中，通过共振 态的隧穿电流需要超过较强通过晶体缺陷的背 景电流才能观察到。
GaAs substrate (0.5 mm, e.g.)
schematic
Growth direction
Al
MBE As Growth
UHV Ga
AlAs
GaAs AlAs
Δ = 0.28nm
3eV
1.5eV
Conduction band Valence band
Electronic potential
Ev valence band edge XIDIAN506LAB
半导体异质结构（能带工程）及其 在高速器件和光电器件应用研究
The Nobel Prize in Physics 2000
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Quantum well (QW)量子阱
semiconductor B
semiconductor A
• 这种现象类似于光通过两个平行界面构成像 Fabry-Perot标准具这样的光学滤波器一样，光 强作为波长的函数，形成尖锐的跃迁峰值。
Fabry-Perot干涉仪
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共振隧穿与负微分电阻
•江琦和朱预测， 给GaAs/ AlxGa1-xAs双或
I
多势垒结构加上偏置，电流-电压I- V之间
– 即一个微弱的磁场变化可以在特定系 统中产生大的电阻变化
• 巨磁阻将物质磁性与电荷输运结合 在一起
– 从而诞生了磁电子学和自旋电子学
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引言
• 半导体外延生长与异质结构
– 二维电子气
• 半导体能带剪裁工程
– 量子阱 – 多量子阱与超晶格
• 半导体中的电子共振隧穿
– 预测与概念 – 负微分电阻 – 共振隧穿
• 在Sollner等人最初的工作中，NDR的频 率可达2.5THz，这隐含电荷隧穿时间为
XIDIAN506LAB
诱人的应用前景 结构简单
• 在已经研制出的几种纳米器件中，RTD可能是 在数字电路中应用最有前景的候选者，因为它 具有负微分电阻（NDR）特征，很适合用于数 字信号处理。
• 同时它还具有结构简单，相对容易制造，固有 速度快，柔性设计的自由度多和电路功能多方 面通用性等优点。
• 他们的这个设想两年以后在一种分子 束外延设备上变为了现实。
江琦 X朱IDI兆AN祥506LAB
多量子阱与超晶格
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超晶格－量子阱结构
XIDIAN506LAB
半导体超晶格-量子阱发光器件
注入
激活区域 注入
激活区域
跃迁与 光发射
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用分子束外延生长超晶格
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半导体能带剪裁
• 采用半导体材料外延生长技术 Ec conduction band edge 使人们可以有目的设计和制造 各种异质结构
• 这种新型半导体异质结构的设 计与制造被称为人工能带工程
Bandgap Eg
• 而此前的半导体材料和器件制 造被称为是杂质工程
• 这种结构可以形象地称作人工 剪裁材料
• 引言 • 半导体异质结构中的共振隧穿现象 • 共振隧穿器件的输运理论 • RTD器件及应用
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引言
• 半导体外延生长与异质结构
– 二维电子气
• 半导体能带剪裁工程
– 量子阱 – 多量子阱与超晶格
• 半导体中的电子共振隧穿
– 预测与概念 – 负微分电阻 – 共振隧穿
XIDoff-set“
Bandgap EgB
Bandgap EgA
LA
ΔEv „val. band off-set“
XIDIAN506LAB
量子阱中电子能级
semiconductor B
semiconductor A
ΔEc „cond. band off-set“ z
LA
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磁超晶格结构与巨磁阻
GMR可达 100％以上
XIDIAN506LAB
2007年诺贝尔物理学奖
• 法国科学家费尔和德国科学家格林 贝格尔因发现巨磁阻效应而荣获 2007年诺贝尔物理学奖
– 瑞典皇家科学院发布的颁奖声明称， 他们1988年各自独立发现了一种全新 的物理效应——巨磁电阻
semiconductor A
semiconductor B
Bandgap EgA
Bandgap EgB
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异质结构（heterostructure）能带
semiconductor B
semiconductor A
Bandgap EgB
Bandgap EgA
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异质外延生长技术
•外延生长——在衬底材料上生长 晶态材料 •上世纪80年代初期，MBE技术 迅速进步，外延异质结构材料质 量显著改进，可以生长出界面良 好的Ⅲ－Ⅴ族外延层结构。
完美的GaAs/AlGaAs界面
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多层异质外延结构的显微照片
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不同带隙宽度的半导体材料
phononic crystals) – 电磁波与声子晶体中弹性波通过压电效应发生耦
合，产生极化激元能带 – 调制二阶非线性极化率张量，为准相位匹配材料
(Quasi-phase-matching materials)，又叫光学超晶 格或非线性光子晶体，这种超晶格材料在非线性 光学特别是在量子信息有重要的应用
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半导体异质结构和超晶格的启发和带动
• 这一成就给南京大学研究人员以启示，他们于 上世纪八十年代初，将微结构引入介电晶体， 研制出介电体超晶格。
• 介电体超晶格的人工调制周期可和光波、超声 波的波长比拟。
• 这样，光波、超声波在介电体超晶格中传播， 就类似于电子在晶格周期势场中运动。
• 在此基础上提出了新的共振隧穿器件的概念和 结构，即共振隧穿二极管（RTD）和共振隧穿 三极管(RTT)。
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诱人的应用前景 多态器件
• 在随后的研究中，研制出室温下 也具有大电流峰谷比率的NDR现 象和多个NDR峰和谷的器件。
• 这种器件有可能代替传统的晶体 管，并且可以作为新的多稳态器 件应用于多值逻辑电路。
• 从它具有高的工作温度和电压两 方面看，共振隧穿器件是到目前 为止最有希望应用于电路研究的 量子器件之一。
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诱人的应用前景 器件速度
• 共振隧穿器件应用于电子学最主要的优 点之一是器件的速度非常快
• 这种器件的速度可以用基本隧穿过程的 时间来度量
• 而隧穿时间常用准束缚态的寿命来衡 量，后者与共振能级宽度成反比。
• 共振隧穿的物理机理 • 负微分电阻起源
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双势垒结构
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典型双势垒结构类型
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共振隧穿器件的I-V特性
从A到B为正微分电阻
从B开始出现负微分电阻 特 点
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产生共振隧穿 的偏置条件
• 当给右边接触区相对左边 接触区加上一个正向偏置 时，使左边的费米能级与 共振能级E1一样高，电子 从左边接触区向右边接触 区透射概率增加，而形成 正向电流。
• 由于晶格周期性晶格结构，形成周期性势场， 晶体中电子能态形成能带，电子在不同能带中 运动有其特殊规律。
• 半导体异质外延生长，可以人为设计或剪裁电 子能带结构，实现了对电子的调控，奠定了当 代信息技术的基础 。
• 上世纪七十年代Esaki 和Tsu 提出了半导体超晶 格和量子阱的概念
• 开创了半导体材料的能带工程，带动了微电 子、光电子产业的兴起和发展
纳米电子学的模式和发展方向
• 经典纳米电子学 • 量子纳米电子学
– 半量子模式
• 纳米量子（介观效应）器件代替现代半导体器件 • 仍采用经典信息处理方式 • 基本上仍在现在电路理论和框架内
– 全量子模式 • 研究基于新效应和现象的新的信息处理方 式
• 量子计算、量子通信、量子密码、量子信息检测
“共振隧穿器件”目录
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Potential
半导体中的载流子隧穿
Tunneling!!!!!!!!!
Negative resistance
No tunneling
带间隧穿与Esaki晶体管
Leo Esaki
The Nobel Prize in Physics 1973
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半导体晶格和超晶格
• 所有这些因素使人们相信RTD是可以完成从研 究领域转化为实际应用的量子限定异质结构基 础上的下一代器件。
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第一节引言 作业
1、分析半导体异质结构能带特征及二维电子气 产生机理。
2、分析半导体多量子阱与超晶格的区别？ 3、说明“人工能带工程”与“杂质工程”。 4、Esaki和Tsu是如何预测半导体异质结构中会
Valence band
XIDIAN506LAB
Potential
半导体超晶格
• 1970年美国IBM实验室的江崎和朱兆 祥提出了超晶格的概念
• 他们设想如果用两种晶格匹配很好的 半导体材料交替地生长周期性结构， 每层材料的厚度在lOOnm以下，则电 子沿生长方向的运动将会产生振荡， 可用于制造微波器件。
的关系会类似于Esaki二极管，出现负微分
电阻特性（NDR）。
•这种情形的NDR是由于在同一个能带中 通过势垒的电子共振隧穿引起的
Negative differential resistance region
V
负微分电阻示意图
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IBM最初的实验
• IBM首次在低温下，在MBE生长的异质半导体 双势垒结构中观察到相当微弱的共振隧穿现 象——I-V特性中的负微分电阻（NDR）。